Второе начало термодинамики (устанавливает определённое направление течения процессов в природе – стрела времени).

Первая часть: Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией (энтропия – изменение). Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые при этом к системе порции тепла , делится каждая на соответствующую ей абсолютную температуру , и все полученные таким образом значения суммируются.

Вторая часть: При реальных (неидеальных) процессах энтропия изолированной системы возрастает .

Если обозначить энтропию через , то

(2)

и получим соотношение Гиббса:

(3)

Это фундаментальное уравнение, объединяющее первое и второе начала, и в нём по существу заключена вся равновесная термодинамика.

Второе начало термодинамики позволяет судить о направлении процесса и имеет различные формулировки.

Томсона: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счёт охлаждения теплового резервуара».

Клаузиуса: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому».

Из второго постулата следует:

- существование энтропии как функции состояния системы;

- принцип возрастания энтропии.

В гигантской фабрике естественных процессов принцип энтропии занимает место директора, который предписывает вид и течение всех сделок. Закон сохранения энергии играет лишь роль бухгалтера, который приводит в равновесие дебет и кредит.

Третье начало термодинамики (тепловая теорема Нернста)

При абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение , не зависящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Эту величину можно положить равной рулю.

Теорема Нернста не вытекает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности может рассматриваться как новый закон природы - третье начало термодинамики.

Классическая термодинамика – это область физики, которая занимается изучением общих свойств макроскопических систем в равновесии, а также общих закономерностей при установлении равновесия.

Из всего многообразия макроскопических объектов, которые нас окружают или которые мы используем в повседневной жизни или работе, термодинамика изучает объекты только в состоянии термодинамического равновесия.

Под состоянием термодинамического равновесия подразумевается состояние, в которое с течением времени рано или поздно приходит система, находящаяся при определённых внешних условиях и определённой постоянной температуре окружающих тел.

При достижении термодинамического равновесия система забывает свою предысторию.

Она помнит только то, что сохраняется в силу законов сохранения (в изолированной системе это суммарные энергия, импульс и масса).

С этой точки зрения окружающий нас мир: мир животных, мир растений, мир неживой природы – представляют собой системы, не находящиеся в состоянии термодинамического равновесия.

Термодинамическое равновесие есть некая абстракция. По отношению к окружающему нас миру это упрощённая модель. Тем не менее, в огромном большинстве практически важных случаев она приводит к правильным результатам.

Термодинамика, как уже говорилось, изучает свойства равновесных состояний. А для равновесных состояний понятия времени не существует. Поэтому время в явном виде в термодинамику не входит (термодинамика не знает времени). В этом смысле об обычной термодинамике говорят как о термостатике (термин введён в 1854 г. В.Томсоном взамен «механической теории тепла»).

Термодинамика позволяет также сделать выводы об общих закономерностях процессов, происходящих при установлении равновесия. Эти выводы касаются направления необратимых процессов и их возможностей при данных условиях. Однако все выводы классической равновесной термодинамики о неравновесных процессах или неравновесных состояниях по-прежнему не включают времени. Утверждение о направлении процесса или запрета процесса не даёт никакой информации о скорости процесса.

Классический этап развития термодинамики кроме формулировки основных начал и анализа вытекающих из них следствий оставил нам в наследство программу действий, связанную прежде всего с необходимостью описания неравновесных процессов.

Классическая термодинамика является мощным средством исследования обратимых процессов. Могущество термодинамического метода состоит в том, что он позволяет получить основные закономерности квазистатических процессов, не вскрывая их молекулярного механизма.

Вполне естественно возникает идея о необходимости создания аналогичного метода для исследования необратимых процессов. В настоящее время такой метод создан и получил своё окончательное оформление под названием термодинамики необратимых процессов.

Сегодня закончена разработка основ линейной теории неравновесных процессов, завершившейся созданием линейной неравновесной термодинамики.

Одно из направлений завтрашнего дня - создание нелинейной феноменологической теории неравновесных процессов.

Разработка общих методов термодинамического анализа неравновесных процессов и неравновесных состояний – это главная задача и содержание неравновесной термодинамики.

Термодинамика неравновесных необратимых процессов – это физическая теория макроскопического описания неравновесных процессов.